Sergei Krikalev estaba a bordo de la misión STS – 60 Discovery, la primera Misión conjunta del Transbordador Espacial estadounidense y Ruso. Lanzado el 3 de febrero de 1994, desde el Centro Espacial Kennedy (KSC), Florida, la Misión STS-60 fue el segundo vuelo del Módulo de Habitación Espacial-2 (Spacehab-2), y el primer vuelo de la Instalación Wake Shield (FSM-1). Durante el vuelo, la tripulación del Discovery llevó a cabo una amplia variedad de experimentos de ciencia de materiales, tanto en el FSM-1 como en el Spacehab, así como experimentos de observación de la Tierra y ciencias de la vida. Krikalev llevó a cabo porciones significativas de las operaciones del Sistema de Manipulador Remoto (RMS) durante el vuelo. Después de 130 órbitas de la Tierra en 3.439.705 millas, la misión STS-60 aterrizó en el KSC el 11 de febrero de 1994.
Krikalev regresó al servicio en Rusia, pero viajó periódicamente al Centro Espacial Johnson en Houston para trabajar con el Control de Misiones de la NASA y los controladores terrestres en Rusia apoyando misiones conjuntas de transbordadores estadounidenses y rusos, incluidas las misiones STS-63, STS-71, STS-74 y STS-76.
La siguiente misión espacial de Sergei Krikalev fue la STS-88 Endeavour, lanzada desde el KSC el 4 de diciembre de 1998. Esta fue la primera misión de montaje de la Estación Espacial Internacional (ISS). Mientras estaban en órbita, la tripulación se unió al módulo Unity de la ISS con el módulo Zarya. Krikalev y otros realizaron tres caminatas espaciales para conectar umbilicales y conectar herramientas y hardware para su uso en futuros EVA. La tripulación también realizó operaciones de cámara IMAX en la Bahía de Carga y desplegó dos satélites. La misión finalizó el 15 de diciembre, con un aterrizaje nocturno en el KSC después de 185 órbitas de la Tierra en 283 horas y 18 minutos.
La siguiente misión de Krikalev fue vivir y trabajar a bordo de la ISS como parte de la tripulación de la Expedición-1, la primera en ocupar realmente la estación. El Comandante de la Misión William Shepherd, el Ingeniero de Vuelo Krikalev y el Comandante Soyuz Yuri Gidzenko fueron lanzados el 31 de octubre de 2000 en un cohete Soyuz desde Baikanor, Kazajistán, y atracaron con éxito en la estación el 2 de noviembre de 2000. La tripulación pasó cuatro meses y diecisiete días a bordo de la estación, regresando a la Tierra el 21 de marzo de 2001.
El 14 de abril de 2005, el coronel Krikalev entró al espacio por sexta vez, a bordo de un cohete Soyuz lanzado desde Baikonur, Kazajstán. Como comandante de la undécima tripulación en ocupar la ISS, Expedición-11, fue acompañado por el astronauta estadounidense John L. Phillips. Durante la misión, Krikalev superó el récord de tiempo total en el espacio (anteriormente en poder de Sergei Avdeyev con 747,5 días) el 16 de agosto de 2005. Su tiempo acumulado en el espacio sería un récord mundial de 803 días, 9 horas y 39 minutos a su regreso a Kazakstán a bordo de un cohete Soyuz el 10 de octubre de 2005. Sergei Krikalev también ha realizado ocho EVAs por un total de 40 horas y 58 minutos mientras servía en el Mir, el Transbordador y la Estación Espacial Internacional.
Por su experiencia de vuelo espacial, Krikalev fue galardonado con el título de Héroe de la Unión Soviética, la Orden de Lenin, el título francés de L’Officier de la Légion d’Honneur, y el nuevo título de Héroe de Rusia. También ha recibido la Medalla de Vuelo Espacial de la NASA en 1994 y otra en 1998. El coronel Sergei Krikalev está programado para comandar la misión Soyuz TMA-14 y la Expedición ISS-19, cuyo lanzamiento está programado para marzo de 2009. El asteroide 7469 Krikalev lleva su nombre en su honor.